走近中國大科學(xué)工程
在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)西校區(qū)內(nèi)，矗立著我國第一個國家級實驗室——國家同步輻射實驗室，行人經(jīng)過學(xué)校臨近合作化路高架橋的大門時都可以看到它的身影。我國以真空紫外和軟X射線為主的專用同步輻射光源就坐落于此，熟悉這里的科研人員都親切地稱它為“合肥光源”。
國家同步輻射實驗室于1983年經(jīng)國家計委批準(zhǔn)立項，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)籌備并建設(shè)。作為中國第一臺專用同步輻射裝置，早在1989年4月，合肥光源就發(fā)出了第一束“神奇之光”。二十多年來，這個以同步輻射應(yīng)用和同步輻射光源研究為主的知識創(chuàng)新基地在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，為科技人員照亮未知的微觀世界。
同步輻射實驗室主任陸亞林教授告訴科技日報記者：“光是無處不在的，它也是人類觀察及研究大自然最重要的工具。與常規(guī)光源相比，同步輻射有許多突出的優(yōu)點。它的亮度很高，頻譜寬闊、連續(xù)、平滑，利用單色器可從中選取所需的任何波長的光，被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、能源科學(xué)、信息科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。合肥光源的真空紫外波段可用于許多研究，例如讓人們認(rèn)識超導(dǎo)等先進(jìn)材料以及蛋白質(zhì)的性質(zhì)和功能；X射線波段可用于蛋白質(zhì)、凝聚態(tài)物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)研究。”陸亞林告訴記者，“隨著科技成果的轉(zhuǎn)化，一些同步輻射技術(shù)已逐漸改變著人們的生活。”
中國人自己的先進(jìn)光源
在合肥光源周長66米的電子儲存環(huán)內(nèi)，電子束被加速到所需能量，以接近光的速度在閉合環(huán)形的真空室中運行，并在轉(zhuǎn)彎時放出同步輻射光，形成透視微觀世界的“利器”。
“同步輻射作為一種先進(jìn)的光源，在國家安全、能源、工程材料實時研究等方面發(fā)揮著關(guān)鍵的平臺支撐作用。”陸亞林說。
20世紀(jì)70年代末，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在國內(nèi)率先提出建設(shè)電子同步輻射加速器。1977年，在一批老科學(xué)家的積極推動下，同步輻射裝置的建造列入全國科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃。1978年春，中科院決定成立以中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為主的同步輻射加速器籌備組，并于當(dāng)年3月在合肥召開了第一次籌備會，討論我國建造電子同步輻射加速器的初步方案，這標(biāo)志著我國同步輻射事業(yè)的正式啟動。
自那時起，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究員劉祖平就積極參與了國家同步輻射實驗室一期工程建設(shè)。作為加速器物理工作者，劉祖平全程參與了光源的設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運行及改進(jìn)。
“早在1977年國家科學(xué)大會上，科學(xué)家就首次提出在我國建設(shè)同步輻射光源的設(shè)想。”劉祖平告訴記者，“那個時候國家沒有錢，要做的事很多，但仍然在這項基礎(chǔ)科學(xué)上大刀闊斧地投入。現(xiàn)在回頭看，是十分不易的。而中科院也打破常規(guī)，將這一艱巨的任務(wù)交給中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，也成就了我國最早的一個依托高校的大科學(xué)裝置。”
說起合肥光源人克服困難、大膽創(chuàng)新的故事，劉祖平覺得真是三天三夜也說不完：“建設(shè)之初，世界上同步輻射光源中插入元件剛剛開始使用，合肥光源人注意到了這一趨勢，設(shè)計了可放置插入元件的長直線節(jié)。合肥光源在儲存環(huán)的12塊彎轉(zhuǎn)磁鐵都可引出特征波長為24埃的同步輻射光，還有3個直線節(jié)可安裝插入元件并引出具有其他特征波長的光，為裝置今后的發(fā)展預(yù)留了空間。”
改造升級再放異彩
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和用戶對光源需求的提高，合肥光源人強烈感受到，原有線站的發(fā)射度、亮度等指標(biāo)已難以滿足迅速發(fā)展的科研要求。“增加光束線站、改進(jìn)和提高光源性能勢在必行”。
1997年原國家計委批準(zhǔn)了“國家同步輻射實驗室二期工程”的立項，總投資1.18億元人民幣，在原有裝置的基礎(chǔ)上改造關(guān)鍵系統(tǒng)，增建1臺波蕩器和8條光束線及相應(yīng)的實驗站。
作為二期工程的項目經(jīng)理兼總工程師，劉祖平告訴記者：“改造后的合肥光源運行質(zhì)量和裝置技術(shù)水平比改造前大幅度提高。”
此后，合肥光源取得了一系列令人矚目的成績——2005年，齊飛教授帶領(lǐng)的研究組與美國、德國的科學(xué)家合作，首次在實驗中發(fā)現(xiàn)了一系列的碳?xì)浠衔镅趸^程的重要中間體——烯醇，其研究成果以Science Express形式發(fā)表在當(dāng)年5月12日出版的國際權(quán)威學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)》雜志上。2007年，我國首顆探月衛(wèi)星“嫦娥一號”成功發(fā)射，并傳回首張月面圖像，我國也從此邁入了具有深空探測能力的國家行列。而鮮為人知的是，“嫦娥一號”首次飛行任務(wù)攜帶的太陽風(fēng)離子探測器，其正機實驗標(biāo)定和測試，就是在合肥光源上完成的；2008年，實驗室還利用低溫等離子體放電技術(shù)完成了對星際等離子體環(huán)境的模擬，并在醇類物質(zhì)的等離子體放電過程中探測到一系列的烯醇類物質(zhì)，揭示了烯醇類物質(zhì)作為一類重要星際物質(zhì)的可能性，這一實驗結(jié)果發(fā)表在天文學(xué)科頂級期刊《天體物理學(xué)雜志》上……
“受到合肥光源儲存環(huán)聚焦結(jié)構(gòu)、光源亮度和光子通量的先天限制，光源品質(zhì)成為限制國家同步輻射實驗室繼續(xù)研究同步輻射應(yīng)用技術(shù)，發(fā)展創(chuàng)新的、先進(jìn)的同步輻射實驗方法的‘瓶頸’，也無法適應(yīng)中國科學(xué)事業(yè)迅速發(fā)展需要，無法滿足國家科技發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求。”陸亞林介紹說，“因此，自2010年起，在中科院和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的共同支持下，國家同步輻射實驗室啟動了‘重大維修改造項目’工程。改造后的合肥光源已達(dá)到國際同類輻射裝置的先進(jìn)水平，為基礎(chǔ)科學(xué)及應(yīng)用科學(xué)提供最先進(jìn)的研究平臺。”
令他感到欣慰的是，升級改造項目實施過程中，國家同步輻射實驗室工程建設(shè)隊伍堅持以自主創(chuàng)新為主，采用高水平的集成創(chuàng)新，艱苦拼搏，攻克了一個個技術(shù)難關(guān)，實現(xiàn)裝置的所有性能指標(biāo)全面超越了設(shè)計值，并達(dá)到準(zhǔn)三代光源的水平。“合肥光源重大維修改造項目主要建設(shè)目標(biāo)是實現(xiàn)儲存環(huán)直線節(jié)數(shù)目增加到8個，束流發(fā)射度降低到40納米弧度，直線加速器滿能量注入，首批完成從插入元件引出的5條光束線及實驗站的改造建設(shè)，從而提高合肥光源的整體性能，充分發(fā)揮合肥光源在真空紫外能區(qū)的優(yōu)勢，推動我國在若干領(lǐng)域的科學(xué)研究達(dá)到國際領(lǐng)先或國際先進(jìn)水平。”
“未來我們希望它能夠為安徽正在大力發(fā)展的新能源汽車、生物醫(yī)藥、新材料等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)提供科研支撐，進(jìn)一步推動中科院合肥大科學(xué)中心的籌建工作。”陸亞林說。
神奇之光璀璨奪目
“我們看到的火焰里面有成千上萬的化學(xué)反應(yīng)，這些化學(xué)反應(yīng)決定了火焰發(fā)熱的效率、污染物排放等，而發(fā)動機的性能等都與燃燒有關(guān)。”正在國家同步輻射實驗室燃燒實驗站做實驗的清華大學(xué)燃燒能源中心熱能工程系研究院楊斌博士告訴記者，“為了更好地了解燃燒的本質(zhì)并控制它，我們要了解它整個過程中的各方面機理。這條同步輻射光束線可以將火焰電離，我們就可以對其進(jìn)行分析和診斷，雖然對火焰的研究還有色譜和激光光譜等其他手段，每種方法都有它的好處和局限性，但在同步輻射實驗室里我們可以對火焰的組分進(jìn)行觀察，并做出一些定量的判斷，這是目前最好的手段。”楊斌說。楊斌的研究方向是生物質(zhì)燃料——如何將秸稈、地溝油、廢棄物等再利用，讓生物質(zhì)能源利用得更加充分。
如今，合肥光源的線站已全面升級，楊斌和他的三個學(xué)生已經(jīng)在這里進(jìn)行了一個星期的實驗。為了了解火焰組分的各項指標(biāo)，他們還會繼續(xù)在這里待上一個星期。據(jù)陸亞林介紹，合肥光源吸引了來自國內(nèi)外的研究者，光源長期可靠地穩(wěn)定運行為廣大用戶提供了良好的實驗條件和手段。
“合肥光源的研究范圍很廣泛，如對超導(dǎo)材料之類的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，可廣泛應(yīng)用于材料、能源基礎(chǔ)、物質(zhì)及生命科學(xué)，以及環(huán)境等領(lǐng)域。這其中不少研究，還跟市民的生活息息相關(guān)。”陸亞林說，“比方說大家都很熟悉的PM2.5。這種污染物是如何形成的很多人都不清楚，其中一個誘因是汽車尾氣通過紫外光的照射，并與之發(fā)生反應(yīng)后形成PM2.5。在科大國家同步輻射實驗室里剛好能夠使用這個波段的光來模擬PM2.5的產(chǎn)生過程，為研究空氣污染物提供最直接的方法。”
國家同步輻射實驗室還為國家重大基礎(chǔ)研究計劃（如納米科技計劃、結(jié)構(gòu)基因組研究計劃等）、“863”研究項目、國防建設(shè)急需的研究項目以及其他學(xué)科的創(chuàng)新性研究工作提供了一流的研究平臺；并充分發(fā)揮了合肥光源多學(xué)科交叉的特點，開拓同步輻射新的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)原創(chuàng)性工作的開展，促進(jìn)用戶取得具有國際影響的研究成果；還與產(chǎn)業(yè)建立合作關(guān)系，尋求產(chǎn)業(yè)建立自己的專用設(shè)備或生產(chǎn)基地。
“作為中國重要的同步輻射研究中心之一，合肥光源已成為以同步輻射應(yīng)用和同步輻射光源研究為主的知識創(chuàng)新基地、人才培養(yǎng)基地及發(fā)展高新技術(shù)的創(chuàng)新基地，為國內(nèi)外科學(xué)家提供性能優(yōu)良的實驗研究平臺，未來我們會繼續(xù)發(fā)光。”陸亞林說。（記者 劉曉瑩）